Générateur de signal carré ultra simple

Un simple ampli op peut remplacer le traditionnel NE555. Voici le schéma le plus simple autour d'un ampli op pour générer un signal carré. Ce type de montage garantit un fonctionnement fiable et ajustable facilement en fréquence.

Un ampli op, quatre résistances et un condensateur suffisent à générer un signal carré. Le montage oscillateur présenté ici est facile à mettre en oeuvre vu qu'une tension d'alimentation simple suffit pour cet oscillateur (adaptateur, pile 9V, etc)

Voici le schéma du générateur de signal carré 10kHz :

Générateur de signaux carrés avec alimentation simple (9 V à 30 V)

Le montage repose ici sur un TL071 ou un TL081 (ampli op standard). La tension d'alimentation de l'ampli op peut aller de +8 V à +30 V (d'après le fabricant à partir de 9 V mais en pratique dès 7 V ou 8 V). Il n'y a donc pas besoin du classique "555" (NE555).

Générateur de signal carré avec alimentation simple 9 V à 30 V

La fréquence peut se régler facilement en remplaçant R1 par un potentiomètre. Dans ce cas, il faut ajouter une résistance en série de 1k minimum avec le potentiomètre pour éviter que le potentiomètre puisse faire un court-circuit lorsqu'il est en butée.

La tension d'alimentation peut varier de 8Và 30 V continus, la consommation étant inférieure à 5 mA. Une pile de 9 V peut alimenter ce générateur, ce qui a l'avantage de le rendre entièrement flottant par rapport au montage testé. La tension de sortie (signal carré) est tantôt égale à 1 V environ, tantôt quasi égale à l'alimentation positive.

Le filtre passe haut (formé par C2 et P1) à la sortie de l'ampli op supprime la composante continue. L'amplitude du signal dépend directement de la tension d'alimentation. Le potentiomètre P1 permet d'ajuster l'amplitude du signal à la valeur souhaitée de 0 % à 100 % de l'amplitude maximale.

Fonctionnement du générateur de signal carré

L'ampli op est utilisé en comparateur à hystérésis. Le montage s'appelle parfois "multivibrateur astable".

La tension de sortie de l'ampli op ne peut prendre que 2 valeurs +Vsat et -Vsat. Ici, la tension vaut soit +1 V soit +11 V environ. La tension sur l'entrée non inverseuse (+) de l'ampli op vaut soit 4 V soit 8 V environ selon le niveau de sortie (1 V ou 11 V respectivement). Lorsque la tension est à +11 V à la sortie, C1 se charge à travers R1 jusqu'à atteindre 8 V. Du coup, l'entrée inverseuse (-) se trouve à un potentiel supérieur à l'entrée +. Le niveau de sortie bascule de +11 V à 1 V (+Vsat à -Vsat). C1 se décharge à travers R1 jusqu'à atteindre 4 V. La sortie bascule et C1 se recharge jusqu'à 8 V. Et ainsi de suite, un nouveau cycle commence :

Simulation LTSpice IV du générateur de signal carré

La fréquence varie très peu avec la tension d'alimentation. L'ampli op doit être choisi avec un temps de montée très inférieur à la période du signal, sinon, le signal carré aurait plutôt une allure triangulaire dont les pentes seraient dues aux temps de montée et descente de l'ampli op lui-même.

Choix des composants du générateur

R2, R3 et R4 sont fixées à la même valeur pour faire plus simple. R2 et R3 doivent être égales si on souhaite un rapport cyclique de 0,5 : le créneau est aussi longtemps au niveau haut qu'au niveau bas. R4 définit l'hystérésis avec l'association R2//R3.

R1 et C1 définissent la fréquence d'oscillation qui peut être choisie librement sans aucun problème. C1 est fixée à 1 nF par simplicité. Il est plus facile d'ajuster une résistance (ici R1) qu'un condensateur.

C2 et P1 forment le filtre passe haut pour ne conserver que le signal carré sans sa valeur moyenne. Le potentiomètre P1 permet de doser l'amplitude du signal carré.

Application du générateur de signal carré 10 kHz : test des amplis audio

Il est utile d'injecter un signal carré de 10 kHz environ sur l'entrée audio d'un ampli pour visualiser à quoi ressemble le signal de sortie. C'est un test pour évaluer la stabilité d'un ampli.

La charge en sortie doit être formée d'une résistance de 8 Ohms en parallèle avec un condensateur de 1uF (non polarisé). Le condensateur déphase le courant par rapport à la tension de l'ampli. Les oscillations amorties qui apparaissent alors à la sortie permettent de connaître la marge de stabilité (marge de phase) de l'ampli testé. Plus les oscillations sont visibles, moins l'ampli est stable. Moins il y a d'oscillations, mieux c'est. La tension de sortie peut être limité à quelques Volts, pas besoin de mettre les potentiomètres de volume "à fond".

Pour plus de détails sur la stabilité des amplis audio, vous pouvez voir cet article :

Stabilité des amplis audio : réseau de Zobel et autres

Réalisations de générateurs de signaux à ampli op

Les oscillateurs à ampli op sont montés sur une carte à trous. Les composants CMS sont montés entre les pastilles. La taille 0603 et 0805 sont bien adaptés à ce type de montage sur carte à trous. Ici, une maquette où sont montés 4 oscillateurs : 3 oscillateurs sinus à trois fréquences différentes (idéal pour tester les ampli audio de puissance) et le générateur de signal carré à 10kHz :

Vue du dessous de la maquette du générateur à amplis op

Mot de la fin

Il est facile de créer un petit générateur de signal carré avec un ampli op simple, alimenté par une tension d'alimentation simple comme une pile de 9 V, ce qui rend le générateur isolé du reste et facile à utiliser pour les tests.